荧光定量PCR原理及应用科研版.ppt
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1、实时荧光定量PCR技术简介,应用工程师 张晓辉,MJR系列实时荧光定量PCR仪之 OUTLINE,实时荧光定量PCR原理荧光定量PCR仪简介实时荧光定量PCR在科研上的应用实时荧光定量PCR实验设计实例,实时荧光定量PCR原理 OUTLINE,实时荧光定量PCR的原理:什么是实时荧光定量PCR荧光化学双通道与内标基因分型(SNP)检测,实时荧光定量PCR原理,常规PCR技术:PCR后借助电泳对扩增反应的终产物进行定量及定性分析,常规PCR,实时荧光定量PCR原理 常规PCR,常规PCR结合电泳分析方法的缺点,只能对终产物进行分析,无法对起始模板准确定量必须在扩增反应结束后借助电泳方法分析,费时
2、费事无法对扩增反应实时检测EB有毒,Opticon,实时荧光定量PCR原理,定量PCR技术:利用荧光信号的变化实时检测PCR扩增反应中每一个循环扩增产物量的变化,通过Ct值和标准曲线实现对起始模板的定量分析,定量PCR,实时荧光定量PCR原理,实时荧光定量PCR三个关键词:实时,荧光,定量如何实时检测?借助荧光物质示踪扩增产物量的变化,定量PCR,实时荧光定量PCR原理,在PCR反应加入能示踪扩增产物的荧光化学物质,随着PCR反应的进行,扩增产物不断累积,荧光信号强度不断增加。每经过一个循环,收集一次荧光强度信号,得到一条荧光扩增曲线图,从而通过荧光强度变化实时监测产物量的变化,荧光曲线,如何
3、对起始模板定量?通过Ct值和标准曲线实现对起始模板的定量分析引入两个概念:荧光阈值、Ct值,实时荧光定量PCR原理 定量原理,荧光阈值在荧光扩增曲线指数增长期设定一个荧光强度标准(即PCR扩增产物量的标准),实时荧光定量PCR原理 定量原理,实时荧光定量PCR原理 定量原理,Ct值的概念Ct值的定义是PCR扩增过程中,扩增产物(荧光信号)到达阈值时所经过的扩增循环次数,Log浓度与循环数呈线性关系初始 模板量越多,扩增产物达到某一值(域值)时所需要的循环数越少,确定初始模板的浓度,实时荧光定量PCR原理 定量原理,实时荧光定量PCR原理 定量原理,理想的PCR反应:X=X0*2n非理想的PCR
4、反应:X=X0(1+Ex)nn:扩增反应的循环次数X:第n次循环后的产物量X0:初始模板量Ex:扩增效率,定量原理,实时荧光定量PCR原理,在扩增产物达到阈值线时:XCt=X0(1+Ex)Ct=N(1)XCt:荧光扩增信号达到阈值强度时扩增产物的量.在阈值线设定以后,它是一个常数,我们设为N.方程式(1)两边同时取对数得:log N=log X0(1+Ex)Ct(2)整理方程式(2)得:log X0=-log(1+Ex)*Ct+log N(3)Log浓度与循环数呈线性关系,根据样品扩增达到域值的循环数就可计算出样品中所含的模板量,定量原理:利用已知起始拷贝数的标准样品作出标准曲线,通过未知样品
5、的Ct值,从标准曲线上计算出该样品的起始浓度。,如何定量,荧光强度-循环数曲线,初始模板量对数-C(T)循环数标准曲线,.,未知,104,103,106,105,102,10,实时荧光定量PCR原理,Determine C(t)value for unknownInterpolate quantity of unknown using the standard curve,Unknown contains 3108 copies,实时荧光定量PCR原理,实时荧光定量PCR原理,阈值的选择荧光阈值是在荧光扩增曲线上人为设定的一个值,它可以设定在指数扩增阶段任意位置上,但一般我们将荧光域值的缺省设
6、置是3-15个循环的荧光信号的标准偏差的10倍,实时荧光定量PCR原理,为什么要用Ct值定量实时荧光定量PCR方法利用Ct的概念,在指数扩增的开始阶段进行检测,此时样品间的细小误差尚未放大,因此该Ct值具有极好的重复性。,实时荧光定量PCR原理,相同模板在同一台PCR仪上相同条件下重复96次扩增的扩增曲线图终点处检测产物量不恒定;Ct值则极具重现性,Ct值的重现性,MJR系列实时荧光定量PCR仪之 与传统PCR的比较,Absolute quantification is possibleSensitiveDetects lower copies of targetDetects small f
7、old differencesSamples with a broad range of concentrations are analyzed without normalizing concentrationCost effective and time efficientFlexible assay design,实时荧光定量PCR原理 OUTLINE,实时荧光定量PCR的原理:什么是实时荧光定量PCR荧光化学双通道与内标基因分型(SNP)检测,实时荧光定量PCR原理,示踪扩增产物量变化的荧光物质及其工作原理,SYBR Green 1,Molecular Beacons,TaqMan,荧
8、光化学,MJR系列实时荧光定量PCR仪之,SYBR Green I,SYBR Green 1,MJR系列实时荧光定量PCR仪之,SYBR Green I 工作原理,MJR系列实时荧光定量PCR仪之,SYBR Green 1 结合到双链DNA的小沟部位SYBR Green 1 染料只有和双链DNA结合后才发荧光。,Bound SYBR Green I,Unbound SYBR Green I,PCR,SYBR Green I fluorescence increases upon binding dsDNA Post-amplification melting curve analysis,MJ
9、R系列实时荧光定量PCR仪之 SYBR Green I 工作原理,SYBR Green I 工作原理,MJR系列实时荧光定量PCR仪之,SYBR Green I 优点,使用方便-不必设计复杂的荧光探针 没有序列特异性-可以用于不同的模板 便宜 灵敏,MJR系列实时荧光定量PCR仪之,SYBR Green I 缺点,与非特异性产物结合,MJR系列实时荧光定量PCR仪之,Graph fluorescence intensity vs.temperatureDecreasing fluorescence recordedDue to increasing temperatureDue to dena
10、turation and release of SGITm is the point of inflection on the melting curve,MJR系列实时荧光定量PCR仪之 SYBR Green I 融解曲线分析,Plot the negative of the rate of change of fluorescence vs.temperature(-dI/dT),MJR系列实时荧光定量PCR仪之 SYBR Green I 融解曲线分析,MJR系列实时荧光定量PCR仪之 SYBR Green I 融解曲线分析,Identical reaction components,ex
11、cept initial template concentration varies,Amplification results,1.95oC for 15 min2.94oC for 10 sec3.63oC for 15 sec4.72oC for 30 sec5.Plate Read6.84oC for 1 sec7.Plate Read8.Go to line 2 39 more times9.Melting curve from 65oC to 95oC,read every 0.2oC,hold 1 sec.,MJR系列实时荧光定量PCR仪之 SYBR Green I 融解曲线分析
12、,Amplification results,1.95oC for 15 min2.94oC for 10 sec3.63oC for 15 sec4.72oC for 30 sec5.Plate Read6.84oC for 1 sec7.Plate Read8.Go to line 2 39 more times9.Melting curve from 65oC to 95oC,read every 0.2oC,hold 1 sec.,MJR系列实时荧光定量PCR仪之 SYBR Green I 融解曲线分析,For reliable nucleic acid quantification,
13、each primer set requires individual optimizationParameters used to optimize reaction specificity and efficiencyPrimer design Amplicon designConcentration of reagentsCycling conditionsDenaturation and annealing temperatures,MJR系列实时荧光定量PCR仪之 Real-time PCR体系优化,Dynamic thermal gradient allows for one-st
14、ep reaction-temperature optimizationUp to 24oC gradient range,MJR系列实时荧光定量PCR仪之 Real-time PCR体系优化,Melting curve results,Amplification results,1.95oC for 15 min2.94oC for 10 sec3.Gradient from 45oC to 65oC for 15 sec4.72oC for 30 sec5.83oC for 1 sec6.Plate Read7.Go to line 2 39 more times8.Melting cur
15、ve from 65oC to 95oC,readevery 0.2oC,hold 1 sec.,MJR系列实时荧光定量PCR仪之 Real-time PCR体系优化,SYBR Green I 应用范围,起始模板浓度定量融解曲线分析-可区分单一产物、变异产物、多种产物和(或)引物二聚体基因型分析,MJR系列实时荧光定量PCR仪之,Molecular Beacons,Molecular Beacons,MJR系列实时荧光定量PCR仪之,发夹型杂交探针,Molecular Beacons,原理:荧光谐振能量传递(FRET),茎由互补配对的序列组成,环与目标序列完全配对,茎,MJR系列实时荧光定量P
16、CR仪之,荧光素,淬灭剂,环,变性:产生非特异性的荧光,Molecular Beacons,MJR系列实时荧光定量PCR仪之,Target-loop interaction more stable than stem-stem,T,A,C,C,G,G,G,G,G,T,T,A,C,G,A,A,C,G,G,T,A,A,T,T,T,T,T,G,C,C,C,C,C,A,A,A,A,Q,R,Target,During the annealing step:Probe binds targetReporter and quencher separatedTarget-specific fluorescen
17、ce,MJR系列实时荧光定量PCR仪之 Molecular Beacons,延伸:没有荧光,Molecular Beacons SNP,Opticon实时荧光定量PCR仪之,Molecular Beacons 实验结果,MJR系列实时荧光定量PCR仪之,MJR系列实时荧光定量PCR仪之 Molecular Beacons实验程序,1.94 5 min2.95 5 sec3.58 30 sec4.Plate read 5.72 30 sec6.Goto step 2 for more 39 times,Molecular Beacons 应用范围,定量起始模板浓度基因型分析鉴定产物单核苷酸多态性
18、(SNP)检测,MJR系列实时荧光定量PCR仪之,Molecular Beacons SNP,T,A,C,C,G,G,G,G,G,T,T,A,C,G,A,A,C,G,G,T,A,A,T,T,T,T,T,G,C,C,C,C,C,A,A,A,A,Q,荧光素,目标序列,茎,淬灭剂,MJR系列实时荧光定量PCR仪之,Molecular Beacons 优点,对目标序列有很高的特异性 用于SNP检测的最灵敏的试剂之一荧光背景低,MJR系列实时荧光定量PCR仪之,Molecular Beacons 缺点,设计困难无终点分析功能只能用于一个特定的目标价格较高,MJR系列实时荧光定量PCR仪之,TaqMan,
19、探针,荧光素,淬灭剂,MJR系列实时荧光定量PCR仪之,TaqMan,水解型杂交探针,TaqMan,目标特异性探针5 为荧光素,3 为淬灭剂,5 荧光素,3淬灭剂,与目标序列互补,MJR系列实时荧光定量PCR仪之,Intact probe-reporter quenched by FRET,MJR系列实时荧光定量PCR仪之 TaqMan 工作原理,TaqMan 实验结果,MJR系列实时荧光定量PCR仪之,MJR系列实时荧光定量PCR仪之 TaqMan实验程序,1.94 5 min2.95 5 sec3.58 30 sec4.Plate read 5.Goto step 2 for more 3
20、9 times6.end,TaqMan 应用范围,定量起始模板浓度基因型分析产物鉴定SNP分析,MJR系列实时荧光定量PCR仪之,TaqMan 优点,对目标序列有很高的特异性-特别适合于SNP检测与 Molecular Beacons 相比设计相 对简单,MJR系列实时荧光定量PCR仪之,TaqMan 缺点,价格较高只适合于一个特定的目标不能进行融解曲线分析背景高,MJR系列实时荧光定量PCR仪之,兼容化学试剂总结,MJR系列实时荧光定量PCR仪之,实时荧光定量PCR原理 OUTLINE,实时荧光定量PCR的原理:什么是实时荧光定量PCR荧光化学双通道与内标基因分型(SNP)检测,MJR系列实
21、时荧光定量PCR仪之,双通道与内标,准确的相对定量方法-内标法-解决模板提取过程中造成的差别-解决样品材料不均一造成的差别-解决加样过程中的差别,MJR系列实时荧光定量PCR仪之 内标法,内标法必须:在一个PCR管中进行两种PCR反应:一个是有差别的(目标RNA或DNA)一个是无差别的(内标RNA或DNA),MJR系列实时荧光定量PCR仪之 内标法,内标的种类看家基因添加DNA或RNA,实时荧光定量PCR技术之 多色双通道技术,多色双通道技术:多色:可使用多种荧光染料双通道:可同时测定两种荧光染料 发出的荧光,一个PCR管内进行两种PCR扩增要解决的问题:1、引物及探针问题-引物及探针的相 互
22、干扰2、模板量差别-共用资源的相互竞争,实时荧光定量PCR技术之 多色双通道技术,F,R,实时荧光定量PCR技术之 多色双通道技术,1、引物及探针问题,2、共用资 源的相互竞争,实时荧光定量PCR技术之 多色双通道技术,F,R,F,R,R,Q,解决办法:单双通道同时进行,相互验证,实时荧光定量PCR技术之 多色双通道技术,单,单,双,实时荧光定量PCR技术之 多色双通道技术,解决办法之二:primer limiting,实时荧光定量PCR原理 OUTLINE,实时荧光定量PCR的原理:什么是实时荧光定量PCR荧光化学双通道与内标基因分型(SNP)检测,F,R,C,SNP G/A,Forward
23、 primer,Reverse primer,Allele-specific probe,Allele-specific probe,用TaqMan探针进行基因型分析,实时荧光定量PCR技术之 SNP检测-基因型分析,Q,5,3,G,Hybridization of TaqMan Probe,Digestion of probe-fluorescence,NO digestion of probe-NO fluorescence,Match for Allele 1,Reduced Efficiency of Probe Hybridization,Mismatch for Allele 1,
24、Polymerase,实时荧光定量PCR技术之 多色双通道技术应用-基因型分析,从病人血液样品中提取 DNA 基因型分类:A/A(Allele 1)G/G(Allele 2)G/A(Heterozygote),实时荧光定量PCR技术之 多色双通道技术应用-基因型分析,Allele 1 control,实时荧光定量PCR技术之 多色双通道技术应用-基因型分析,Allele 2 control,VIC,FAM,实时荧光定量PCR技术之 多色双通道技术应用-基因型分析,Heterozygote control,FAM,VIC,实时荧光定量PCR技术之 多色双通道技术应用-基因型分析,实时荧光定量PC
25、R技术之 多色双通道技术应用-基因型分析,实时荧光定量PCR技术之 多色双通道技术应用-基因型分析,实时荧光定量PCR技术之 SNP网站,SNP的网站dbSNP(http:/www.ncbi.nlm.nih.gov/SNP/):该网站是由美国的NCBI主办的。它除了可接受各地发来的SNP申请注册外,也向公众免费提供对SNP的查询。(2)HGBASE(http:/hgbase.interactiva.de):该网站建在德国,收集基因内SNP,研究者可通过检测出的序列查询SNP。(3)MIT SNP数据库(http:/wwwgenome.wi.mit.edu/SNP/human/index.htm
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